Advanced Functional Materials:新工艺提升碲化铋基热电材料性能

“能源”是当今时代最热门的话题之一,生产力的快速发展促使人们将各种类型的能量转换为可供人类使用的形式。而热能作为一种典型的低品位能量,在各种能量转换的过程中总会不可避免地产生,从而降低了能量转换的效率。热电转换技术可以用于热能和电能的直接相互转换,可以提升能量转换效率,对能源产业有着至关重要的作用。热电转换技术不仅可将热能直接转化可广泛应用的电能,还具有无噪音、无振动、便于集成化等优点。同时,热电材料还可通过珀尔帖效应实现固态制冷,使其在高功率激光器、大规模通讯服务器等领域的控温方面具有广泛的应用前景。目前,受制于热电性能,热电材料仍无法实现大规模应用,因此提高性能是目前热电材料研究的当务之急。由于提升热电性能需要在材料内部增强载流子而弱化声子的输运性能,属于相互对立的两种需求,因此通过微观结构调控实现载流子与声子散射的解耦是热电材料研究的一个重要方向。

清华大学材料学院李敬锋课题组提出了一种制备多晶碲化铋合金的新工艺:通过在烧结过程中对加入了过量碲单质的碲化铋合金循环升降温,能有效调控其微观结构,实现热电性能的大幅提升。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202009681)上。

碲化铋基热电材料是目前应用最广的热电材料,其具有优异的热电性能,且能在近室温附近表现出最佳性能,自然成为了当前热电材料研究的重点。该研究团队基于机械合金化-放电等离子体烧结法,对碲化铋合金的制备工艺进行了改良。该团队在机械合金化的原料中加入过量碲单质,随后控制放电等离子体烧结温度在共晶点上循环升降。如此改良后的工艺能有效降低晶粒的界面自由能,促进晶粒的快速长大,从而减弱了块体内部晶界对载流子的散射作用,显著改良了电学性能提升了功率因子;在伴随共晶液相的挤出过程中循环放电等离子体烧结在晶粒内部引入大量无序位错。同时,研究还发现,在烧结过程中可形成大量纳米第二相,其有效地钉扎了位错,成为了位错的增殖中心,进一步增加了位错密度。这些纳米结构能有效增强声子散射,从而降低晶格热导率。最终,优化工艺参数和组分的p型(Bi,Sb)2Te3材料的ZT值达到1.46,较常规放电等离子体烧结得到的商用(Bi,Sb)2Te3材料提升了50%,实测单臂热电转换效率的提升超出80%。

上述研究工作获得了国家自然科学基金委基础科学中心项目(51788104)和国家重点研发计划(2018YFB0703603)的支持。在读博士生庄华鹭为论文第一作者,毕业博士生潘瑜博士(现在德国固体化学物理马普研究所从事博士后研究)与李敬锋教授为论文共同通讯作者,美国西北大学Snyder教授为合作作者。